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울트라 캐패시터 에너지 저장장치를 적용한 함정 전기추진 시스템의 효용성 증대 연구
A Study on the Improving Effectiveness of Shipboard Electric Propulsion System with Ultra-capacitor Energy Storage Devices 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.2, 2012년, pp.114 - 120  

김소연 (Electrical Engineering & Computer Science, Seoul National University) ,  설승기 (Electrical Engineering & Computer Science, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, integrated electric propulsion system has been vigorously adopted into naval vessels. To enhance effectiveness and efficiency of power management in these propulsion systems, this paper investigates necessity of energy storage devices and their operation strategies. By introducing the ener...

주제어

#Shipboard Electric Propulsion System   #Energy Storage Device   #System Redundancy   #Gensets  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그림 2에서 보는 바와 같이, 에너지 저장장치 선정 시 전력밀도와 에너지밀도 특성이 고려되어야 한다. 본 논문에서 적용하려는 시스템 용량은 90초 이내의 시간동안 약 1MW를 공급할 수 있는 25kWh 용량의 에너지 저장장치를 고려해 보았다. 미 해군에서는 구축함에 적용하기 위한 에너지저장장치로 플라이휠(flywheel) 발전장치를 연구검토하고 있다.
  • 본 논문에서는 전기추진 시스템의 엔진-발전기 부하율을 향상시킴으로써 연비를 더욱 개선시키고, 고출력 펄스 부하와 같은 순간적인 부하변동이나 엔진 과부하시에도 전력계통을 안정적으로 유지할 수 있는 에너지 저장장치의 적용 필요성과 그 효용성을 시뮬레이션을 통해 검증하고자 한다. 2장에서는 에너지 저장장치의 적용 필요성과 가능성에 대한 기술동향을 기술하고, 3장에서는 시뮬레이션 대상 함정의 추진 특성을 포함하는 전력시스템 모델링 방법에 대해 설명하며, 4장에서는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 에너지 저장장치의 효용성에 대해 분석한다.
  • 본 논문에서는 함정에서 발전기 단독운전을 가능하게 하고 엔진 설치 수 감소 및 부하율 향상으로 연비를 대폭 개선할 수 있는 대용량 에너지 저장장치의 적용 필요성 및 그 효용성을 제시하였다. 모델 함정의 경우 25kWh 용량의 에너지 저장장치 중량은 부가 장치를 포함하여 약 7톤이며, 함정 좌·우현 추진시스템 직류단(DC link)에 나누어 설치할 수 있다.

가설 설정

  • 3.2절에서 모델링한 추진부하 특성은 전기추진 시스템 발전기 계통의 전력부하로 동작하게 된다. 일반적인 함정 발전기 계통은 60Hz 고정 주파수로 운용되고 있으므로, 전체 발전기 계통을 PI 속도제어 시스템으로 등가변환하여 모델링할 수 있다(그림 7).
  • 제어기의 이득(gain)과 제 상수는 부록에 전체적으로 표기하였다. 함정은 추진 관성이 매우 큰 시스템이므로, 속도제어기의 제어대역폭은 1Hz로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기추진 시스템이 가지는 주요 장점은? o 엔진 설치대수 감소(연료 및 유지보수 비용 절감) o 추진 전동기의 빠른 제어특성으로 함 조정성능 향상 o 엔진 배치의 융통성 향상으로 함 공간 활용성 증대 및 선형 최적화 가능 o 기계식 추진 시스템보다 저속에서 엔진 부하율 증대
대용량 추진 전동기 부하를 가지는 전기추진 함정의 취약한 점은? 그러나 기존의 저전압 전력계통에 비해 대용량 추진 전동기 부하를 가지는 전기추진 함정은 전력계통 안정도(stability) 및 데드쉽(dead ship) 발생에 더욱 취약할 수 있으므로, 전기추진 시스템 설계 시 전력공급의 신뢰성(reliability)이나 전력품질(power quality) 요건이 최대한 보장되도록 해야 한다.
수상함에 에너지 저장장치를 적용하려는 목적은 무엇 때문인가? 수상함에 에너지 저장장치를 적용하려는 목적은 함 내 설치 가능한 발전기 용량으로는 미래 무기체계와 같은 고 전력 펄스 부하의 소요전력을 충당할 수 없을 뿐만 아니라, 전투함과 같이 중요부하가 많은 함정은 전력공급의 연속성이 최대한 보장되어야 하기 때문이다. 이외에도 에너지 저장장치는 발전기가 갑자기 탈락되는 경우 재투입되기까지 예비 전원으로 동작하여 중요부하에 치명적인 영향을 최소화할 수 있다.
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참고문헌 (8)

  1. R O'Rourke, "Navy Ship Propulsion Technologies: Options for Reducing Oil Use-Background for Congress", Congressional Research Service Report(CRS RL33360), available online at [www.fas.org/sgp/crs/weapons/RL33360.pdf], 2006, Dec. 

  2. Captain S S Chitale, "Integrated Full Electric Propulsion", IE(I) Journal, Vol. 90, pp. 18-22, 2010. 

  3. Christopher Holsonback, Tyler Webb, Dr. Thomas Kiehne, Dr. Carolyn Conner Seepersad, "System-Level Modeling and Optimal Design of an All-Electric Ship Energy Storage Module", ASNE Electric Machine Technology Symposium, Philadelphia, PA, 2006, May. 

  4. LS Ultracapacitor Product Sped sheet, available at [http://www.ultracapacitor.co.kr/ko/ultracapacitor/cell.html] 

  5. Robert E. Hebner, John D. Herbst, and Angelo L. Gattozzi, "Pulsed Power Loads Support and Efficiency Improvement on Navy Ships", Naval Engineer Journal, Vol. 122, Issue 4, pp. 23-32, 2010, Dec. 

  6. J.H. Lee, S.H. Lee, S.K. Sul "An Isolated Power System Based on Variable Speed Engine Generator with Super-capacitor", The Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol.13, No.2, pp. 244-251, 2008. 4. 

  7. H.J. Yoo, S.K. Sul, S.M. Kim, Y.H. Park, "Power Flow Control and Optimum Fuel Efficiency Control for a Serises Hybrid Electric Vehicle", Power Electronics Annual Conference, pp. 75-77, 2007. 11. 

  8. Roozbeh IZ, M. Blanke, "A ship propulsion system as a benchmark for fault-tolerant control", Control Engineering Practice 7, pp. 227-239, 1999. 

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